Czego oczy nie widzą. Jak wzrok kształtuje nasze myśli. Richard Masland

do mózgu prowadzi do nieodwracalnych zmian – w razie zatrzymania akcji serca człowiek traci świadomość już po kilku sekundach, a kilka minut później jego mózg (a zatem i on sam) albo umiera, albo popada w stan wegetatywny.

      Ames zaczął rozważać metabolizm mózgu jeszcze na mroźnej północy, podczas wojny. Neurony w istocie są bardzo wymagające, jeżeli chodzi o dopływ energii – bardziej od niemal wszystkich pozostałych tkanek organizmu. Ocenia się, że ważący średnio niecałe półtora kilograma mózg zużywa około 20 procent wszystkich zasobów energetycznych ciała. Jest też odpowiednio ukrwiony – jego tkanki odżywia bardzo gęsta sieć naczyń włosowatych. To one, za pośrednictwem pasywnej dyfuzji, przekazują substancje odżywcze do neuronów i odprowadzają z nich produkty komórkowej przemiany materii. A ponieważ dyfuzja działa dobrze jedynie na bardzo małych odległościach, mózg nie może się obyć bez niewiarygodnie gęstej sieci coraz drobniejszych włośniczek. Studenci medycyny uczą się, że dowolny neuron w mózgu jest oddalony od najbliższego naczynia włosowatego najwyżej o 0,2 milimetra. Użyjmy porównania: sieć włośniczek w mózgu jest gęstsza niż splot nici w tkaninie zwykłego prześcieradła.

      Ames zastanawiał się, w której części ośrodkowego układu nerwowego neurony mogłyby zostać oddzielone od tkanki złożonej z komórek nienależących do układu nerwowego. Doszedł do wniosku, że takim miejscem jest siatkówka. Mało kto poza światem naukowym uzmysławia sobie, że w skład ośrodkowego układu nerwowego wchodzi nie tylko mózg, lecz także rdzeń kręgowy oraz siatkówka. Te trzy struktury mają wspólną genezę embrionalną, takie same neurony i komórki wspierające. I co najważniejsze, wszystkie trzy znajdują się za barierą krew–mózg, czyli systemem warstw ochronnych tworzących oddzielone od reszty ciała, uprzywilejowane środowisko chemiczne. Większość neuronów siatkówki i rdzenia kręgowego to tak naprawdę komórki mózgowe. Nawet neurolog nie potrafiłby odróżnić wyizolowanego neuronu siatkówki (z wyjątkiem fotoreceptorów: pręcików i czopków) od neuronów pobranych z innych części ośrodkowego układu nerwowego.

      Jednak siatkówka musiała się zmierzyć z problemem, którego nie miały pozostałe części ośrodkowego układu nerwowego: detekcją światła. Gdyby siatkówka przepleciona była zwyczajową siecią tętnic, żył i naczyń włosowatych, struktury te (i płynąca w nich krew) przesłaniałyby nam widok – świat wyglądałby jak widziany przez bardzo gęstą zasłonę. Rozwiązanie tego problemu jest genialne: siatkówka składa się z nadzwyczaj cienkiej warstwy komórek, której grubość rzadko przekracza 0,3 milimetra, co umożliwia dopływ tlenu i składników odżywczych drogą pasywnej dyfuzji. Co prawda siatkówka ma kilka naczyń wnikających w głąb i pomagających odżywiać obszary peryferyjne, niemniej głównym źródłem substancji odżywczych jest gęsta sieć naczyniowa zlokalizowana na zewnątrz siatkówki, na dnie oka.

      Amesowi sprzyjało również to, że siatkówka większości ssaków nie jest mocno przyklejona do komórek, na których spoczywa, łatwo ją więc odkleić. Z tego samego powodu zagraża nam zawsze odklejenie siatkówki – wystarczy bezpośrednie uderzenie w gałkę oczną krążkiem hokejowym czy piłką tenisową. Szczęście w nieszczęściu, siatkówka po takim uderzeniu pozostaje najczęściej nietknięta, jeżeli więc szybko przykleimy ją operacyjnie z powrotem, trwałe jej uszkodzenie jest niewielkie.

      Ames wynalazł syntetyczny roztwór, którego skład imituje skład omywającego układ nerwowy płynu mózgowo-rdzeniowego. W kluczowych eksperymentach szybko usuwał oko uśpionemu zwierzęciu (które to zwierzę później poddawano eutanazji bez budzenia), rozpoławiał je i delikatnie wypreparowywał siatkówkę z dna oka, a następnie odcinał nerw wzrokowy. Siatkówka zawisała swobodnie w roztworze. To bardzo efemeryczna, niemal przezroczysta półkula, która w stanie spoczynku pozostaje bladoróżowa, natomiast w jaskrawym świetle staje się srebrzysta. Kiedy pływa swobodnie w płynie na szalce Petriego, do złudzenia przypomina skrawek zamoczonej chusteczki higienicznej nieco większy od łyżeczki.

      Wyizolowana siatkówka pozostaje żywa: nadal konsumuje tlen i glukozę, syntetyzuje nowe białka i wydala produkty przemiany materii, a jej neurony zachowują aktywność elektryczną. W kolejnych kilku latach Ames i jego współpracownicy wykazali, że wyizolowane siatkówki zachowują się tak samo jak każda inna tkanka mózgu. Co ważniejsze – reagują na światło dokładnie tak samo jak siatkówki w oczach żywego osobnika.

      Innowacja Dela szybko się przyjęła i na początku lat osiemdziesiątych nikt już nie badał siatkówek ciągle będących w oczach zwierząt doświadczalnych. Później okazało się, że wiele innych próbek mózgu może przeżyć badania poza organizmem zwierzęcia, jeżeli tylko będą należycie inkubowane. Wynaleziony przez Dela specjalny roztwór inkubacyjny, znany powszechnie jako roztwór Amesa, jest dziś sprzedawany przez firmę Sigma-Aldrich Corporation, czołowego dostawcę chemii laboratoryjnej[13]. Moje bardzo szacunkowe obliczenia wykazały, że przez ostatnie czterdzieści lat sprzedano około 300 tysięcy litrów tej substancji, co wystarczyłoby do zwodowania nowoczesnej fregaty. Del nigdy nie domagał się tantiem ani żadnego innego wynagrodzenia za swoje odkrycie, więc kiedy później chciał stosować sprzedawany przez Sigma-Aldrich roztwór Amesa, musiał za niego płacić.

      Pierwsze kroki

      Technologia Amesa bardzo mnie zainteresowała i po studiach zostałem jego współpracownikiem badawczym na Harvardzie. Doświadczenia, jakie wykonywałem pod kierunkiem Dela, były najlepszym wprowadzeniem do podstawowych badań z zakresu biologii postrzegania. Żadnych fajerwerków, żadnych eksperymentów pod tę czy inną nagrodę – tylko prawdziwa nauka i małe, ale znaczące postępy prowadzące do kolejnych odkryć.

      Chcieliśmy z Amesem poznać mechanizm działania obwodów siatkówkowych i dowiedzieć się, jak neurony sterują zachowaniem komórek zwojowych. Wpadliśmy na pomysł, by poddać synapsy siatkówkowe działaniu leków wpływających na konkretne typy połączeń neuronalnych. Innymi słowy, zamierzaliśmy wywołać w układzie precyzyjnie skalibrowany wstrząs i zobaczyć, co się wydarzy.

      Pierwotnie chcieliśmy ustalić, które z wielu znanych nauce neuroprzekaźników są wykorzystywane w obwodach siatkówki, jednak był to zaledwie cel pośredni. Neurony siatkówkowe łączy kilkanaście rodzajów synaps, uznaliśmy więc, że rozbierzemy ten system na części pierwsze, pomanipulujemy przy poszczególnych synapsach i zobaczymy, jak się zmienią sygnały wysyłane przez siatkówkę. Mieliśmy pytania: Czy istnieją odrębne neuroprzekaźniki powiązane z reakcją komórek typu ON i komórek typu OFF? Które neuroprzekaźniki biorą udział w pozornie magicznej zdolności wykrywania kierunku ruchomego bodźca? Czy dzięki nim odkryjemy mechanizm, który pozwala garstce neuronów w siatkówce określać kierunek ruchu postrzeganego obiektu?

      Podstawowy eksperyment wyglądał bardzo prosto. Patrząc przez mikroskop, powoli opuszczałem mikroelektrodę, aż jej końcówka dotknęła powierzchni siatkówki. Wtedy, jeżeli miałem szczęście, słyszałem trzask komórki zwojowej. (Aktywność elektryczną neuronów wykrywamy, wzmacniając słabiutki sygnał wychwytywany przez mikroelektrodę). Jeżeli szczęścia nie miałem, przesuwałem elektrodę odrobinę w lewo lub w prawo, nasłuchując i czekając na głośniejsze i bardziej stabilne ciągi trzasków. Po starannym namierzeniu badanej komórki do akcji wkraczał masywny, chłodzony powietrzem stymulator optyczny, który rzutował na siatkówkę małe plamki światła. Naświetlając tak siatkówkę, słuchałem charakterystycznej odpowiedzi danego neuronu. Kiedy już poznałem ją tak dobrze, jak to było możliwe, wprowadzałem do gry dodatkowe czynniki i sprawdzałem, jak reakcja komórki się zmienia. Wszystko to odbywało się w niemal całkowitej ciemności – dozwolone było jedynie czerwone światło, jak w ciemni fotograficznej – aby ograniczyć przypadkowe pobudzenia siatkówki. Na ścieżkę dźwiękową eksperymentu składały się monotonny trzask neuronu i syk chłodzącego powietrza.

      No i oczywiście pomieszczenie było nagrzane do temperatury organizmu królika, czyli 37°C. Kiedy Del projektował pierwotny eksperyment, nie wiedział, co może być ważne dla utrzymania przy życiu